CN105364942A - 机械手臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械手臂，其包括两个手臂构件及杆件，所述两个手臂构件转动连接，所述杆件的两端分别与所述两个手臂构件活动连接并用于分别沿所述两个手臂构件的轴向运动以带动所述机械手臂开合。所述机械手臂可通过驱动杆件两端分别沿手臂构件的轴向方向运动，从而形成省力杠杆驱动所述两个手臂构件相对转动而开合，因此，可以采用功率较小的驱动电机。另外，驱动电机也可以不限于设置在所述两个手臂构件的转动连接处，因此，所述两个手臂构件的转动连接处可以作其他的空间设计，提高设计自由度。另外，本发明还公开了一种机器人，所述机器人包括上述所述的机械手臂。

Description

机械手臂及机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机械手臂及机器人。

背景技术

现有机械手臂一般采用铰接方式连接两个手臂构件，并在铰接处(关节处)安装驱动电机，通过控制驱动电机的转动实现两个手臂构件之间的相对转动(开合)。

驱动电机通过输出扭矩为手臂构件的转动提供动力，而输出扭矩的大小取决于驱动电机的转子和定子之间的电磁感应力和转子的半径。

然而，由于转子的半径一般远小于手臂构件的长度，因此需要消耗较大的电磁感应力(即需采用大功率的驱动电机)来驱动手臂构件(及手臂构件上的负载)。

另外，关节处安装驱动电机也会导致关节处的空间被驱动电机所占据，不仅降低了关节处的机械强度，也增加了关节处的空间设计难度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种机械手臂及机器人。

本发明实施方式的机械手臂包括：

转动连接的两个手臂构件，及

杆件，所述杆件的两端分别与所述两个手臂构件活动连接并用于分别沿所述两个手臂构件的轴向运动以带动所述机械手臂开合。

本发明实施方式的机械手臂可通过驱动杆件两端分别沿手臂构件的轴向方向运动，从而形成省力杠杆驱动所述两个手臂构件相对转动而开合，因此，可以采用相对较小的驱动电机。

另外，由于作为省力杠杆的所述杆件并非设置在所述两个手臂构件的转动连接处，因此，所述两个手臂构件的转动连接处可以作其他的空间设计，提高设计自由度。

在某些实施方式中，所述杆件包括单杆机构。

在某些实施方式中，所述杆件包括多杆件机构。

在某些实施方式中，所述多杆件机构包括两杆件机构，所述两杆件机构包括两个连接杆，所述两个连接杆的一端相互转动连接，另一端分别与所述两个手臂构件活动连接。

在某些实施方式中，所述多杆件机构包括三杆件机构，所述三杆件机构包括三个连接杆，两个所述连接杆的一端分别与另一个所述连接杆的一端转动连接，另一端分别与所述两个手臂构件活动连接。

在某些实施方式中，所述多杆件机构包括四杆件机构，所述四杆件机构包括四个连接杆，每个所述连接杆的两端分别与另外两个连接杆的一端连接，所述四杆件机构对角线的两端分别与所述两个手臂构件活动连接。

在某些实施方式中，所述四杆件机构包括贝内特机构。

在某些实施方式中，所述杆件的两端分别与所述手臂构件转动连接。

在某些实施方式中，所述机械手臂还包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述杆件的两端分别沿所述两个手臂构件的轴向运动。

在某些实施方式中，所述驱动装置是线性马达。

本发明实施方式的机器人包括上述所述的机械手臂。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施方式的机械手臂的立体示意图。

图2是图1的机械手臂另一视角的立体示意图。

图3是本发明另一个实施方式的机械手臂的立体示意图。

图4是本发明再一个实施方式的机械手臂的立体示意图。

图5是本发明另外一个实施方式的机械手臂的立体示意图。

图6是图5的机械手臂的杆件的工作原理示意图。

图7是图5的机械手臂的另一个视角的立体示意图。

图8是图5的机械手臂的再一个视角的立体示意图。

图9是本发明实施方式的机器人的立体示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

另外，下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1及图2，本发明实施方式的机械手臂100包括转动连接的两个手臂构件10及杆件20。杆件20的两端分别与两个手臂构件10活动连接并用于分别沿两个手臂构件10的轴向运动以带动机械手臂100开合。

本发明实施方式的机械手臂100可通过驱动杆件20两端分别沿手臂构件10的轴向方向运动，从而形成省力杠杆驱动两个手臂构件10相对转动而开合，因此，机械手臂100可以不限于采用大功率的驱动电机，也即是可以采用功率较小的驱动电机。

另外，由于作为省力杠杆的杆件20并非设置在两个手臂构件20的转动连接处，而杆件20的驱动电机也不限于设置在两个手臂构件20的转动连接处。因此，两个手臂构件20的转动连接处可以作其他的空间设计，提高设计自由度。

本实施方式中，一个手臂构件10的一端与另一个手臂构件10的一端转动连接。

如此，可以使得手臂构件10的转动连接处离杆件20与手臂构件10的连接点更远，从而使得省力杠杆的力臂更长，省力杠杆更省力。

本实施方式中，手臂构件10之间通过铰接转动连接。

当然，在其他实施方式中，也可以采用其他合适的转动连接关系。

手臂构件10呈杆状，本实施方式中采用中空结构，如此可以在手臂构件10内设置更多的元件或结构。

当然，在其他实施方式中，手臂构件10也可以采用其他合适的形状及结构。

本实施方式中，杆件20为单杆件机构。

例如，单杆件机构包括连接杆21。连接杆21的两端分别手臂构件10连接。

如此，杆件20结构简单，制造成本低。

可以理解，杆件20的结构并不限于本实施方式，可以视需求采用其他合适的杆件，例如多杆件机构。

请参阅图3，本发明另一个实施方式的机械手臂100a包括转动连接的两个手臂构件10和杆件20a。杆件20a两端分别与两个手臂构件10活动连接并用于分别沿两个手臂构件10的轴向运动以带动机械手臂100a开合。

本发明实施方式的机械手臂100a与机械手臂100基本相同，区别在于本实施方式的杆件20a为多杆件机构，例如为两杆件机构。

本实施方式中，两杆件机构包括两个连接杆21a。两个连接杆21a的一端相互转动连接，另一端分别与两个手臂构件10活动连接。

可以理解，如此，两杆件机构一方面结构依然简单，容易制造，因此成本低。另一方面，两杆件机构可以在机械手臂100a打开时打开以延长长度，因此两杆件机构在手臂构件10上具有较长的行程；而在机械手臂100a闭合时闭合，方便收纳于手臂构件10之间。

请参阅图4，本发明实施方式的机械手臂100b包括转动连接的两个手臂构件10和杆件20b。杆件20b两端分别与两个手臂构件10活动连接并用于分别沿两个手臂构件10的轴向运动以带动机械手臂100开合。

本发明实施方式的机械手臂100b与机械手臂100基本相同，区别在于本实施方式的杆件20b为多杆件机构，例如为三杆件机构。

三杆件机构包括三个连接杆21b。其中两个连接杆21b一端分别与另外一个连接杆21b的两端转动连接，另一端分别与两个手臂构件10活动连接。

同样的，三杆件机构一方面具有结构简单，容易制造，成本低等优点。另一方面，三杆件机构可以在机械手臂100b打开时打开以延长长度，因此三杆件机构在手臂构件10上具有更长的行程；而在机械手臂100b闭合时闭合，方便收纳于手臂构件10之间。

请参阅图5，本发明实施方式的机械手臂100c包括转动连接的两个手臂构件10及杆件20c。杆件20c两端分别与两个手臂构件10活动连接并用于分别沿两个手臂构件10的轴向运动以带动机械手臂100c开合。

本发明实施方式的机械手臂100c与机械手臂100基本相同，区别在于本实施方式的杆件20c为多杆件机构。例如为四杆件机构。

四杆件机构包括四个连接杆21c。每个连接杆21c一端分别与另外两个连接杆21c的一端转动连接，四杆件机构对角线的两端分别与两个手臂构件10活动连接。

本实施方式中，四杆件机构为贝内特机构(Bennettmechanism)。

对于贝内特机构，连接杆21c通过转动副22转动连接，转动副22对连接杆21c施加各种约束，使得杆件20c为过冗余结构(过约束机构)，只有一个自由度。

请参阅图6，杆件20c满足下面的条件：

首先，杆件20c的相对的连接杆21c的长度相等，即：

$\stackrel{\‾}{AB}=\stackrel{\‾}{CD}=a---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{BC}=\stackrel{\‾}{AD}=b---\left(2\right)$

其中，A、B、C、D为贝内特机构的四个转轴分别与四个连接杆21c的中轴线的交叉点。分别为对应交叉点之间的长度。

其次，相对的连接杆21c之间满足如下角度关系，即：

α_AB＝α_CD＝α(3)

α_BC＝α_AD＝β(4)

其中，α_AB、α_BC、α_CD、α_AD分别为连接杆21c两端转动幅22的旋转轴线23之间的夹角。

再有，杆件21c的长度和相应的角度满足下面的关系式：

$\frac{sin\mathrm{\α}}{a}=\frac{sin\mathrm{\β}}{b}---\left(5\right)$

本实施方式中，杆件20c的四个连接杆21c的长度相等。如此，α和β之和为180°，且大小相同。在此条件下，每一对相对转动幅22的(即，在位置A和C处的一对转动幅22以及在位置B和D处的一对转动幅22)的旋转轴线23总是位于同一平面上。

如此，当杆件20c运动时，杆件20c相对的两个旋转轴线23在运动过程中始终相交，且轴线夹角随着杆件20c的运行开合，将这样的运动方式应用在机械手臂100c的驱动方式中，从而通过杆件20c来控制机械手臂100c的开合，从而可控制手臂构件100c相对转动从而形成省力杠杆驱动两个手臂构件10相对转动而开合。

可以理解，在其他实施方式中，可以视需求采用其他合适的四杆件机构。

可以理解，在其他实施方式中，多杆件机构还可以采用其他数目的杆件机构，例如五杆件机构，并不限于上述实施方式。

在上面的实施方式中，杆件21、21a、21b或21c与手臂构件10滑动及转动连接。

如此设置，连接较为简单、灵活。

为帮助理解，下面以图5-图8所示的杆件21c为例说明杆件21c是如何与手臂构件10滑动及转动连接的。

本实施方式中，手臂构件10形成有导槽30。机械手臂100c还包括滑块40，滑块40滑动设置在导槽30上。杆件20c通过滑块40与两个手臂构件10转动连接。滑块40包括设置在手臂构件10上的基座41及自基座41向上延伸的连接耳42。连接耳42之间形成有连接槽43。连接耳41形成有连接孔44。连接孔44的轴向与手臂构件10的长度方向基本平行。杆件20c的转动幅22伸入连接槽43并通过与连接孔44配合转动设置在滑块40上。

本实施方式中，滑块40的基座41向下延伸形成凹槽45。凹槽45通过活动件46与传动杆50滑动连接。

如此，杆件20c的连接杆21c与手臂构件10的连接结构简单。另外，一来可以允许转动幅22在手臂构件10上滑动，二来，可以允许转动幅22转动以允许杆件20c沿手臂构件10的轴向方向滑动而带动机械手臂100c开合。

本实施方式中，杆件20c由线性马达60驱动其沿手臂构件10的轴向方向运动。可以理解，在其他实施方式中，杆件20c可以由其他驱动装置进行驱动。因此，需要说明的是，杆件20c并不仅限于本实施方式中的由线性马达60驱动其沿手臂构件10的轴向方向运动的驱动方式。

本实施方式中，线性马达60随传动杆50沿手臂构件10的轴向方向运动。传动杆50为线性马达60的传动装置，其沿手臂构件10的长度方向设置。可以理解，在其他实施方式中，可以通过珠丝杠、齿轮齿条、绳索拉锁和驱动链条等传动装置使线性马达60沿手臂构件10的轴向运动。因此，需要说明的是，传动装置并不仅限于本实施方式中的传动杆50。

本实施方式中，杆件20c与手臂构件10末端的负载形成的杠杆相对于在关节处加电机的方式更省力的驱动手臂构件10相对转动。

请参阅图8，本实施方式中，通过杆件20c传递至被驱动手臂构件10的推力Fd与被驱动手臂构件10远端的负载重力Fl通过以下力学关系达到平衡：

Fl·L＝Fd·Ld(6)

其中L为手臂构件10的固定臂长，Ld为杆件20c在沿手臂构件10轴向方向滑动过程中靠近机械手臂100c的手臂关节70与杆件20c两端部与手臂构件10转动连接处的瞬时距离。当杆件20c滑至远离机械手臂100c的手臂关节70时，Ld增大至Ld_max，相同负载下需要提供的推力Fd也随之减小，远远小于传统机械臂在此运动方式下需要的驱动力，即更省力。当杆件20c滑至靠近机械手臂100c的手臂关节70处时，Ld减小至Ld_min，相同负载下需要提供的驱动推力Fd也随之增大。由于Ld_min的实际设计值一般都大于传统机械臂驱动电机的转子半径，此时需要提供的驱动推力Fd仍然相对传统机械臂小，即更省力。

本发明实施方式的机器人1000包括上述所述的机械手臂100、机械手臂100a、机械手臂100b或者机械手臂100c的任意一种或者多种。本发明实施方式的机器人1000结构简单，可通过设计不同的上述所述的机械手臂，从而应用在不同的工程应用场合，方便维护与二次开发，并且可实现高负载机器人1000的小型化设计。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种机械手臂，其特征在于，包括：

转动连接的两个手臂构件，及

杆件，所述杆件的两端分别与所述两个手臂构件活动连接并用于分别沿所述两个手臂构件的轴向运动以带动所述机械手臂开合。

2.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述杆件包括单杆机构。

3.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述杆件包括多杆件机构。

4.如权利要求3所述的机械手臂，其特征在于，所述多杆件机构包括两杆件机构，所述两杆件机构包括两个连接杆，所述两个连接杆的一端相互转动连接，另一端分别与所述两个手臂构件活动连接。

5.如权利要求3所述的机械手臂，其特征在于，所述多杆件机构包括三杆件机构，所述三杆件机构包括三个连接杆，其中两个所述连接杆的一端分别与另一个所述连接杆的两端转动连接，另一端分别与所述两个手臂构件活动连接。

6.如权利要求3所述的机械手臂，其特征在于，所述多杆件机构包括四杆件机构，所述四杆件机构包括四个连接杆，每个所述连接杆的两端分别与另外两个连接杆的一端转动连接，所述四杆件机构对角线的两端分别与所述两个手臂构件活动连接。

7.如权利要求6所述的机械手臂，其特征在于，所述四杆件机构包括贝内特机构。

8.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述杆件的两端分别与所述手臂构件滑动及转动连接。

9.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述机械手臂还包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述杆件的两端分别沿所述两个手臂构件的轴向运动。

10.如权利要求1所述的机械手臂，其特征在于，所述驱动装置包括线性马达。

11.一种机器人，其特征在于包括如权利要求1-10任意一项所述的机械手臂。